基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器的製作方法

2023-11-10 08:00:07

本發明屬於雷射器領域，具體涉及一種基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器。

背景技術：

雷射器在光纖通信、精確光相干測量、光纖分布式傳感等領域有非常廣泛的應用。石墨烯布拉格光柵反射帶寬很窄可以很方便地從滿足雷射起振的多縱模雷射中選出單一縱模，而光纖中的背向瑞利散射效應可以進一步有效壓窄單縱模雷射的線寬。但是在目前窄線寬雷射器領域利用石墨烯布拉格光柵的進行波長調控主要是通過改變石墨烯布拉格光柵的應力以及溫度等方法改變光柵的有效折射率，進一步改變石墨烯布拉格光柵的中心波長。但是這類機械或熱調諧的方法它在調諧精度、調諧響應時間上都會受到機械步進距離以及溫度響應時間的限制。

技術實現要素：

本發明提供一種基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器，以解決目前波長可調雷射器波長調節精度較低且響應時間長的問題。

根據本發明實施例的第一方面，提供一種基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器，包括第一泵浦雷射器、摻雜光纖、第一環形器和石墨烯布拉格光柵，其中所述石墨烯布拉格光柵從內至外依次包括纖芯、包層和包裹著所述包層的石墨烯層，所述第一泵浦雷射器的輸出端通過所述摻雜光纖連接所述第一環形器的第一端，所述第一環形器的第二端連接所述纖芯；

通過調節所述包層的厚度，在所述包層上包裹石墨烯層，並調節傳輸給所述纖芯的泵浦光的光強來調節所述石墨烯布拉格光柵的調製折射率，實現所述石墨烯布拉格光柵中心波長的調節；在所述石墨烯布拉格光柵中心波長調節完成後，所述纖芯向所述第一環形器的第二端返回波長為調節後中心波長的雷射信號，並由所述第一環形器的第三端輸出。

在一種可選的實現方式中，基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器還包括第二泵浦雷射器和第一波分復用器，所述第一波分復用器的第一輸入端連接所述第一環形器的第二端，第二輸入端連接所述第二泵浦雷射器的輸出端，所述第二泵浦雷射器用於通過所述第一波分復用器，對傳輸給所述纖芯的泵浦光的光強進行調節。

在另一種可選的實現方式中，基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器還包括隔離器，所述隔離器的輸入端連接所述摻雜光纖，輸出端連接所述第一環形器的第一端。

在另一種可選的實現方式中，基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器還包括第二環形器和瑞利光纖，所述第二環形器的第一端用於輸入所述雷射信號，所述雷射信號從其第二端傳輸給所述瑞利光纖的第一端，所述瑞利光纖基於所述雷射信號產生瑞利散射信號並返回給所述第二環形器的第二端，再由所述第二環形器的第三端輸出。

在另一種可選的實現方式中，基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器還包括反射鏡，所述瑞利光纖的第二端連接所述反射鏡。

在另一種可選的實現方式中，基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器還包括可調光衰減器，所述可調光衰減器位於所述瑞利光纖的第二端與所述反射鏡之間。

在另一種可選的實現方式中，基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器還包括第二波分復用器和耦合器，所述第二波分復用器的第一輸入端連接所述第一泵浦雷射器的輸出端，第二輸入端連接所述第二環形器的第三端，公共端連接所述摻雜光纖；所述第一環形器的第三端連接所述耦合器的輸入端，所述耦合器的第一輸出端連接所述第二環形器的第一端，第二輸出端作為所述波長可調雷射器的輸出端。

本發明的有益效果是：

1、本發明通過調節石墨烯布拉格光柵的包層厚度以及傳輸給石墨烯布拉格光柵纖芯的泵浦光光強，不僅可以對布拉格光柵的中心波長進行調節，而且可以提高布拉格光柵中心波長調節的精確度和響應時間；

2、本發明通過採用石墨烯布拉格光柵，並通過對傳輸給石墨烯布拉格光柵纖芯的泵浦光進行調節，對石墨烯布拉格光柵的厚度進行調節，可以提高雷射波長調節精度和響應時間；

3、本發明通過增加隔離器，可以對輸入的泵浦光進行隔離，降低幹擾；

4、本發明通過將雷射信號傳輸給瑞利光纖，使瑞利光纖基於瑞利散射效應對雷射信號的線寬進行壓縮，可以降低雷射信號的線寬，並且通過使瑞利光纖產生的前向傳輸的瑞利散射信號通過反射鏡反射回瑞利光纖，可以對雷射信號的線寬做進一步壓縮，從而可以進一步降低雷射信號的線寬；

5、本發明通過在瑞利光纖與反射鏡之間增加可調衰減器，可以避免反射鏡反射回來的瑞利散射信號被雷射信號淹沒；

6、本發明通過採用第二波分復用器和耦合器，對雷射信號的線寬進行循環壓縮，可以進一步降低雷射信號的線寬。

附圖說明

圖1是本發明石墨烯布拉格光柵的一個實施例剖視圖；

圖2是本發明基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器的一個實施例結構示意圖；

圖3是本發明基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器的另一個實施例結構示意圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明實施例中的技術方案，並使本發明實施例的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明實施例中技術方案作進一步詳細的說明。

在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語「連接」應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。

參見圖1，為本發明石墨烯布拉格光柵的一個實施例剖視圖。該石墨烯布拉格光柵由內向外依次可以包括纖芯101、包層102和包裹著所述包層102的石墨烯層103，通過調節所述包層102的厚度，在所述包層102上包裹石墨烯層103，並調節傳輸給所述纖芯101的泵浦光的光強來調節石墨烯布拉格光柵的調製折射率，實現所述石墨烯布拉格光柵中心波長的調節。

為了完全避免纖芯傳輸的雷射穿透包層而降低雷射的傳輸性能，市面上的石墨烯布拉格光柵包層通常較厚。相比於市面上的石墨烯布拉格光柵包層，本實施例中石墨烯布拉格光柵包層的厚度較薄，這樣纖芯傳輸的泵浦光則有可能穿透包層而作用於石墨烯層上。由於石墨烯具有零帶隙結構，因此石墨烯價帶中的電子很容易吸收泵浦光躍遷到導帶上，而且滿足狄拉克分布，這一過程會直接導致石墨烯能帶結構的電子分布發生改變。當改變泵浦光的光強時，石墨烯層的能帶電子的分布也會發生變化。由於石墨烯布拉格光柵的中心波長是由纖芯折射率和周期決定的，而其纖芯已經被周期性的調製，因此石墨烯層的能帶電子分布的變化會進一步導致光柵的調製折射率的改變，這樣最終導致了石墨烯布拉格光柵反射譜的中心波長發生變化。由此，在包層厚度一定的情況下，本發明可以通過改變調控石墨烯的泵浦光光強來改變石墨烯布拉格光柵的中心波長。

在製作上述石墨烯布拉格光柵時，可以採用以下方法：首先，預製布拉格光柵；將商用C波段的布拉格光柵浸泡在氫氟酸溶液中進行腐蝕，將布拉格光柵的直徑(包括纖芯和包層的直徑之和)腐蝕至10到20微米，此時雷射器波長調節的調節精度和響應時間都到達最高；其次，預製石墨烯片；將商用銅基PMMA(柔性聚甲基丙烯酸甲酯)-石墨烯利用化學置換的方法將銅基去除；最後，預製石墨烯布拉格光柵；將去除銅基的PMMA-石墨烯包裹到腐蝕的石墨烯布拉格光柵上，用丙酮蒸汽除去PMMA。

由上述實施例可見，本發明通過調節石墨烯布拉格光柵的包層厚度以及傳輸給石墨烯布拉格光柵纖芯的泵浦光光強，不僅可以對布拉格光柵的中心波長進行調節，而且可以提高布拉格光柵中心波長調節的精確度和響應時間。

參見圖2，為本發明基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器的一個實施例結構示意圖。該波長可調雷射器可以包括第一泵浦雷射器201、摻雜光纖202、第一環形器203和石墨烯布拉格光柵204，其中所述石墨烯布拉格光柵204如圖1所示，從內至外依次包括纖芯101、包層102和包裹著所述包層102的石墨烯層103，所述第一泵浦雷射器201的輸出端通過所述摻雜光纖202連接所述第一環形器203的第一端，所述第一環形器202的第二端連接所述纖芯。本發明通過調節所述包層的厚度，在所述包層上包裹石墨烯層，並調節傳輸給所述石墨烯布拉格光柵204纖芯的泵浦光的光強來調節所述石墨烯布拉格光柵的調製折射率，實現所述石墨烯布拉格光柵中心波長的調節；在所述石墨烯布拉格光柵中心波長調節完成後，所述石墨烯布拉格光柵204纖芯向所述第一環形器203的第二端返回波長為調節後中心波長的雷射信號，並由所述第一環形器203的第三端輸出，由此，實現了雷射的波長調整。

由上述實施例可見，本發明通過採用石墨烯布拉格光柵，並通過對傳輸給石墨烯布拉格光柵纖芯的泵浦光進行調節，對石墨烯布拉格光柵的厚度進行調節，可以提高雷射波長調節精度和響應時間。

參見圖3，為本發明基於石墨烯布拉格光柵的波長可調窄線寬雷射器的另一個實施例結構示意圖。圖3與圖1所示波長可調雷射器還可以包括：第二泵浦雷射器301和第一波分復用器302，所述第一波分復用器302的第一輸入端連接所述第一環形器203的第二端，第二輸入端連接所述第二泵浦雷射器301的輸出端，所述第二泵浦雷射器301用於通過所述第一波分復用器302，對傳輸給所述纖芯的泵浦光的光強進行調節。為了對輸入的泵浦光進行隔離，降低幹擾，波長可調雷射器還可以包括隔離器303，所述隔離器303的輸入端連接所述摻雜光纖202，輸出端連接所述第一環形器203的第一端。

為了對第一環形器203第三端輸出的雷射信號的線寬做進一步壓縮，波長可調雷射器還可以包括第二波分復用器304、耦合器305、第二環形器306、瑞利光纖307、可調光衰減器308和反射鏡309，所述第二環形器306的第一端用於輸入所述雷射信號，所述雷射信號從其第二端傳輸給所述瑞利光纖307的第一端，所述瑞利光纖307基於所述雷射信號產生後向傳輸的瑞利散射信號並返回給所述第二環形器306的第二端，再由所述第二環形器306的第三端輸出。瑞利光纖307的第二端還與反射鏡309連接，這樣瑞利光纖307產生的前向傳輸的瑞利散射信號可以被反射鏡309反射回來，從而傳輸給第二環形器306的第二端，再由第二環形器306的第三端輸出。本發明通過將雷射信號傳輸給瑞利光纖，使瑞利光纖基於瑞利散射效應對雷射信號的線寬進行壓縮，可以降低雷射信號的線寬，並且通過使瑞利光纖產生的前向傳輸的瑞利散射信號通過反射鏡反射回瑞利光纖，可以對雷射信號的線寬做進一步壓縮，從而可以進一步降低雷射信號的線寬。為了避免反射鏡反射回來的瑞利散射信號被雷射信號淹沒，在瑞利光纖307的第二端與反射鏡309之間還可以設置有可調光衰減器308。

另外，為了進一步對雷射信號的線寬做循環壓縮，所述第一環形器203的第三端連接所述耦合器305的輸入端，所述耦合器305的第一輸出端用於將所述雷射信號輸出，第二輸出端作為所述波長可調雷射器的輸出端。所述第二波分復用器304的第一輸入端連接所述第一泵浦雷射器201的輸出端，第二輸入端連接所述第二環形器306的第三端，公共端連接所述摻雜光纖202。

本實施例中，從第一泵浦雷射器201輸出的泵浦光首先通過第二波分復用器304傳輸給摻雜光纖202，從摻雜光纖202出來的泵浦光先經過隔離器303，再進入到第一環形器203的第一端，然後通過第一波分復用器302的第一輸入端進入到石墨烯布拉格光柵204中，與此同時第二泵浦雷射器301輸出的泵浦光通過第一波分復用器302的第二輸入端與雷射信號一起同時進入石墨烯布拉格光柵204。由於石墨烯布拉格光柵204隻反射位於C波段的光，所以泵浦光將被完全透過，因此只有雷射信號將被濾波後從石墨烯布拉格光柵204返回至第一環形器203的第二端。由於石墨烯布拉格光柵的反射譜的中心波長可以被第二泵浦雷射器301輸出的不同功率的泵浦光調控，因此當改變第二泵浦雷射器301的輸出功率，將有不同波長的雷射信號被反射回第二環形器203的第二端。從第二環形器203的第三端出來的光將一部分通過耦合器305輸出，另一部分將反饋回到雷射腔中，從第二環形器306的第一端進入到瑞利光纖307中產生背向的分布瑞利光反饋，剩下的前向信號雷射也將通過可調光衰減器308以及反射鏡309重新反射到第二環形器306的第二端，並從第二環形器306的第三端輸出重新進入到雷射腔內，這樣完成了雷射腔內一次循環。

由上述實施例可見，本發明通過採用石墨烯布拉格光柵，並通過對傳輸給石墨烯布拉格光柵纖芯的泵浦光進行調節，對石墨烯布拉格光柵的厚度進行調節，可以提高雷射波長調節精度和響應時間。

本領域技術人員在考慮說明書及實踐這裡公開的發明後，將容易想到本發明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發明的一般性原理並包括本發明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發明的真正範圍和精神由下面的權利要求指出。

應當理解的是，本發明並不局限於上面已經描述並在附圖中示出的精確結構，並且可以在不脫離其範圍進行各種修改和改變。本發明的範圍僅由所附的權利要求來限制。